способ измерения уровня, плотности, границы раздела и температуры жидкости в резервуаре и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ измерения уровня, плотности, границы раздела и температуры жидкости в резервуаре, включающий вытеснение воздухом жидкости из трубки, погруженной в контролируемую среду, и измерение давления в ней, при этом в моменты последовательного срабатывания чувствительных элементов, равномерно установленных на трубке и срабатывающих, когда граница раздела воздух-жидкость в трубке находится на расстоянии kh от среза трубки (k=1...n, k - номер, n - количество чувствительных элементов), фиксируют измеренные давления в трубке и номера чувствительных элементов, причем для нечетных чувствительных элементов номер определяется непосредственно по величине сигнала преобразователя, к которому подключены все чувствительные элементы, а для четных - как инкремент номера предыдущего или декремент номера последующего чувствительного элемента, для чего в выходные цепи чувствительных элементов с нечетным номером включены резисторы, номиналы которых определяются номером чувствительного элемента, в выходные цепи чувствительных элементов с четным номером включены терморезистивные преобразователи, контактирующие с контролируемой жидкостью, кроме того, в момент срабатывания второго и всех последующих чувствительных элементов приостанавливают вытеснение жидкости и компенсируют измеряемое давление до нулевого значения и далее процесс вытеснения продолжают до тех пор, пока не сработает последний чувствительный элемент, а уровень и плотности по слоям определяют по формулам

L=h₀+h(k+U₁/(U₂-U₁)) - уровень жидкости,

₂=(U₂-U₁)/g/h - средняя плотность верхнего слоя жидкости между первым и вторым чувствительными элементами,

_i=U_i/g/h - средняя плотность i-го слоя жидкости, i=3,..., n, n - количество чувствительных элементов,

где h₀ - расстояние от дна до нижнего чувствительного элемента;

h - расстояние между чувствительными элементами;

U₁, U₂ - давления, измеренные в момент срабатывания первого и второго после начала вытеснения жидкости чувствительных элементов;

k - порядковый номер первого из сработавших чувствительных элементов;

U_i - измеренные давления в момент срабатывания i-ых чувствительных элементов, i-3... n;

i - порядковый номер слоя, в котором измеряется средняя плотность;

g - гравитационная постоянная,

среднюю температуру соответствующего слоя жидкости определяют в момент срабатывания чувствительного элемента с четным номером по величине резистора в выходной цепи сработавшего чувствительного элемента, а уровень раздела сред находят, сравнивая вычисленные плотности в каждом из слоев между чувствительными элементами и определяя номер слоя, в котором плотность изменилась на величину, больше, чем заданная, и вычисляют по формуле

S=h₀+h(j+(U_j-U_j-1)/(U_j+i-U_j-1)) - уровень раздела,

где j - порядковый номер слоя, в котором произошло изменение плотности на величину больше заданной;

U_j - измеренные давления в момент срабатывания j-ых чувствительных элементов, j=2...n.

2. Устройство для измерения уровня, плотности, границы раздела и температуры жидкости в резервуаре, содержащее трубку, погруженную в контролируемую среду, чувствительные элементы, равномерно установленные на трубке и срабатывающие, когда граница раздела воздух-жидкость в трубке находится на расстоянии kh от среза трубки (k=1...n, k - номер, n - количество чувствительных элементов), выходные цепи каждого из которых содержат нормально разомкнутый контакт, последовательно соединенный с резистором, причем у чувствительных элементов с нечетными номерами номинальные значения резисторов определяются номером чувствительного элемента, а все резисторы с четными порядковыми номерами являются терморезистивными преобразователями, при этом все выходные цепи чувствительных элементов соединены параллельно и образуют двухполюсник, включенный на вход преобразователя, плюсовую пневмолинию, через которую подается воздух в трубку, дифманометр, плюсовая камера которого соединена с плюсовой пневмолинией и через первый клапан - с первым выходом блока питания воздухом, минусовую пневмолинию, связанную через второй клапан с плюсовой пневмолинией, а через третий клапан - с минусовой камерой дифманометра и вторым выходом блока питания воздухом, при этом срез минусовой пневмолинии расположен над поверхностью контролируемой среды, регулируемый задатчик давления, подсоединенный параллельно третьему клапану и содержащий последовательно соединенные четвертый клапан, пневмоемкость и пятый клапан, контроллер, первый вход которого связан с выходом преобразователя "сопротивление - напряжение", второй вход - с выходом дифманометра, а первый, второй, третий, четвертый и пятый выходы - соответственно с входами управления первого, второго, третьего, четвертого и пятого клапанов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к способам и устройствам измерения параметров жидких сред, таких как уровень, плотность, градиент плотности, температура жидкости, а также границы раздела фаз в двухфазных средах, и может быть использовано в различных отраслях промышленности, в частности на резервуарных парках нефтепроводов.

Известен способ измерения уровня жидкости, заключающийся в измерении давлений на двух пьезометрических трубках - подвижной и неподвижной при попеременном барботировании через них воздуха и сравнении измеренных давлений между собой. О величине уровня жидкости судят по перемещению подвижной трубки относительно неподвижной, причем перед началом перемещения измеряют перепад давления на неподвижной трубке, компенсируют его до фиксированной величины и при сохранении фиксированного значения давления на неподвижной трубке перемещают подвижную трубку, доводя давление в ней до предварительно измеренного давления на неподвижной трубке (А.с. СССР 1499876).

Недостатком данного способа является сложность реализации при измерении больших значений уровня. При больших величинах измеряемого уровня требуется перемещать подвижную трубку на значительную величину (до половины высоты уровня жидкости), что во многих реальных случаях составляет 5-10 метров и не может быть реализовано простыми способами с приемлемой точностью.

Известен также способ измерения уровня жидкостей, наиболее близкий к предлагаемому изобретению и выбранный за прототип способа, заключающийся в попеременном барботировании воздуха в течение трех тактов измерения через основную нижнюю (первый такт), дополнительную верхнюю (второй такт) трубки, а также через обе эти трубки одновременно (третий такт), и измерении перепада давлений на этих трубках и между ними. О величине уровня жидкости судят по результатам трех тактов измерения по формуле:

L=l+h(1+(у₁-у₃)/(y₁-у₂)),

где l - расстояние между нижним срезом основной трубки и дном,

h - расстояние между нижними срезами трубок,

y₁, y₂, y₃ - результаты измерения в 1-3 тактах соответственно (А.с. СССР 1649290).

Недостатком данного способа является сложность реализации в случае, когда требуется высокая точность измерения. Фактически точность данного способа определяется точностью дифференциального манометра. У лучших образцов дифференциальных манометров погрешность измерения составляет 0,08-0,1%, следовательно, для диапазона измерения уровня 10 м погрешность не может быть менее 1 см, что неприемлемо для многих практических целей.

Известно устройство для измерения уровня жидкостей, наиболее близкое к предлагаемому изобретению и выбранное в качестве прототипа устройства, содержащее блок питания воздухом, питающий плюсовую и минусовую независимые пневмолинии, между которым включен дифманометр. Плюсовая линия через нормально открытый пневмоклапан питает основную измерительную трубку, погруженную в жидкость на глубину H, а через нормально закрытый пневмоклапан - дополнительную трубку, погруженную в жидкость на глубину H-h. Минусовая пневмолиния через нормально открытый пневмоклапан и пневмодроссель связана с атмосферой, а через нормально закрытый пневмоклапан питает дополнительную трубку. Выход дифманометра связан с входом управляюще-вычислительного блока (контроллера), выходы которого соединены с входами управления пневмоклапанов (А.с. СССР 1649290).

Недостатком данного устройства является низкая точность измерения, особенно когда требуется измерять в широком диапазоне уровней. Фактически точность данного устройства определяется точностью дифференциального манометра. У лучших образцов дифференциальных манометров погрешность измерения составляет 0,08-0,1%, следовательно, для диапазона измерения уровня 10 м погрешность не может быть менее 1 см, что неприемлемо для многих практических целей. Кроме того, при больших динамических диапазонах на погрешность результата измерения начинает влиять градиент плотности - в нижней части резервуара плотность жидкости выше, чем в верхней, и это может привести к повышению погрешности измерения.

Измеритель содержит трубку 1, погруженную в контролируемую среду 2, которая представляет собой двухфазную смесь с границей раздела. На трубке 1 через равные расстояния h расположено k чувствительных элементов 3_k, k=7,2,. . . ,n - порядковый номер чувствительною элемента _k. Верхний чувствительный элемент 3_k расположен ниже верхнею предела измерения на величину h, а нижний чувствительный элемент 3_n - на уровне нижнего предела измерения уровня. Выходные цепи каждого чувствительного элемента 3_k содержат нормально разомкнутый контакт 17_k, последовательно соединенный с резистором 18_k, а все выходные цепи чувствительных элементов 3_k соединены параллельно и образуют двухполюсник, который подключен к преобразователю 15. Чувствительный элемент 3_k расположен таким образом, что контакт 17_k замыкается, когда граница раздела воздух - жидкость в трубке 1 находится на расстоянии kh от среза трубки 1.

Трубка 1 соединена через плюсовую пневмолинию 4 с плюсовой камерой дифманометра 6, который через второй клапан 9 минусовой пневмолинией 5 также соединен со свободным от жидкости пространством резервуара. Минусовая камера дифманометра 6 соединена со свободным от жидкости пространством резервуара минусовой пневмолинией 5, через третий клапан 10 и параллельно соединенный с ним регулируемый задатчик перепада давления 11.

Блок питания воздухом 7 питает воздухом плюсовую пневмолинию 4 через первый клапан 8, а плюсовую пневмолинию 5 через третий клапан 10 и задатчик перепада давления 11. Задатчик 11 представляет собой импульсное пневмосопротивление, содержащее последовательно соединенные четвертый клапан 12, пневмоемкость 14 и пятый клапан 13. Входы управления клапанов 8, 9, 10, 12 и 13 связаны соответственно с первым, вторым, третьим, четвертым и пятым выходами контроллера 16, на первый и второй входы которого поступают сигналы от преобразователя 15 и дифманометра 6 соответственно.

Номиналы резисторов 18_k определяются номером k чувствительного элемента 3_k, например, для первого чувствительного элемента сопротивление равно 100 Ом, третьего - 110 Ом, пятого - 120 Ом и т.д. для всех нечетных k. Напротив, все резисторы 18_k с четным номером k одинаковы и представляют собой терморезистивные преобразователи, контактирующие с контролируемой жидкостью. Преобразователь 15 преобразует величину сопротивления, подсоединенного к нему, в напряжение. Таким образом, в момент замыкания контакта 17_k напряжение на выходе преобразователя 15 определяет номер k чувствительного элемента 3_k, возле которого находится граница раздела воздух - жидкость в трубке, либо температуру жидкости в районе чувствительного элемента 3_k.

В качестве составных частей измерителя можно использовать следующие элементы:

- Чувствительные элементы 3 - переключатели торцевые серии БПТ - 211, ТУ 16-526.442-78, у которого в качестве нагрузки используется реле постоянного тока, нормально разомкнутые контакты последнего используются как контакт 17.

- Дифманометр 6 - прибор типа САПФИР-22ДД, предел измерения 6,3 кПа, класс точности 0,5 (основная погрешность не более 0,03 кПа).

- Блок питания воздухом 7 - типа БПВЩ - 2А в комплекте с компрессором Ф416.

- Клапаны 8, 9, 10, 12 и 13 - элементы Унифицированной Системы Промышленной Пневмоавтоматики (УСЭППА) типа П1.ПР5.

- Пневмоемкость 14 - элемент УСЭППА типа ПОЕ.50.

- Преобразователь 15 - источник тока, работающий на резистивную нагрузку (резистор 18).

- Контроллер 16 - любой промышленный контроллер, у которого есть 2 входа для ввода аналоговых сигналов и 5 выходных сигналов для управления релейной нагрузкой, например, типа КПС 19-06 с соответствующими модулями ввода-вывода.

- Резисторы 18 для четных чувствительных элементов 3 - медные термометры сопротивления градуировки 50М (50 Ом при нулевой температуре ) типа ТСМ-0879.

ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ

В исходном состоянии жидкость находится в трубке 1 на уровне жидкости в контролируемом резервуаре (на высоте Н относительно чувствительного элемента 3_k), клапаны 8 и 10 открыты, а клапан 9 закрыт. Воздух от блока питания воздухом 7 поступает через клапан 8 и пневмолинию 4 в трубку 1, и жидкость из трубки начинает вытесняться, а граница раздела опускаться вниз. Давление в плюсовой камере дифманометра 6 начинает возрастать и в момент, когда граница раздела достигнет чувствительного элемента 3_k и замкнется контакт 17_k, составит:

P₁=₁gH+Р_л1+P₀,

где ₁ - средняя плотность жидкости на участке от поверхности до чувствительного элемента 3_k,

g - гравитационная постоянная,

Р_л1- потери давления в пневмолинии 4,

Р₀ - давление в свободном от жидкости пространстве резервуара.

Одновременно воздух от блока питания воздухом 7 через клапан 10 и минусовую пневмолинию 5 поступает в свободное от жидкости пространство и давление в минусовой камере будет равно:

Р₂=Р_л2+Р₀,

где Р_л2 - потери давления в минусовой пневмолинии 5.

Поскольку плюсовая и минусовая пневмолинии 4 и 5 идентичны, то при равных расходах воздуха потери давления в них также равны, следовательно, в момент замыкания контакта 17_k сигнал на выходе дифманометра 6 будет равен:

U₁=P₁-Р₂=₁gH.

При дальнейшем вытеснениии жидкости граница раздела будет опускаться вниз, контакт 17_k разомкнется, а в некоторый момент времени достигнет следующего чувствительного элемента 3_k+1 и замкнет в нем контакт 17_k+1. Поскольку расстояние между двумя соседними чувствительными элементами 3_k и 3_k+1 равно h, то сигнал на выходе дифманометра 6 будет равен:

U₂=₁gH+₂gh,

где ₂ - средняя плотность жидкости на участке между соседними чувствительными элементами 3.

Для малых значений h можно считать, что ₁ = ₂ и тогда имеем:

U₂=₁g(H+h).

В этот момент контроллер 16 закрывает клапан 8 и открывает клапан 9, воздух из трубки 1 начинает вытесняться в свободное от жидкости пространство, граница раздела начнет подниматься, контакт 17_k+1 разомкнется и в некоторый момент времени достигнет чувствительного элемента 3_k. В момент замыкания контакта 17_k на этом чувствительном элементе значение выходного сигнала дифманометра составит:

U₁=₁gH,

контроллер 16 откроет клапан 8 и закроет клапан 9 и цикл работы устройства повторится.

Следовательно, величину Н можно определить по результатам двух соседних измерений U₁ и U₂ по формуле:

H=hU₁/(U₂-U₁).

Величина k также однозначно определяется по величине сигнала с дифманометра 6, т.к. либо при первом (U₁), либо при втором (U₂) измерении ко входу преобразователя 15 будет подключен резистор 18 с нечетным порядковым номером А, номинал которого однозначно связан с порядковым номером k.

Уровень жидкости определятся по результатам двух соседних измерений U₁ и U₂ и порядкового номера k по формуле:

L=h₀+h(k+U₁/(U₂-U₁)),

где h₀ - расстояние от дна до нижнего чувствительного элемента 3.

Погрешность определения уровня включает в себя погрешность задания и поддержания величины h, погрешность срабатывания чувствительных элементов 3 и погрешность измерения давления. Последняя составляющая входит только в погрешность определения величины Н. Т.к. величина Н составляет при больших значениях k малую часть измеряемого уровня, то относительная погрешность дифманометра 6 фактически входит в погрешность результата измерения уровня, ослабленная в k раз. Поскольку первые две составляющие погрешности определения уровня малы, то можно считать, что относительная погрешность результата измерения равна относительной погрешности дифманометра 6, деленной на k.

Например, пусть требуется измерять уровень, изменяющийся в диапазоне 3-11 м (динамический диапазон 8 м), с погрешностью 5 мм (приведенная погрешность 0,025%) в резервуаре с нефтью, плотностью 800 кг/м³.

1. Выберем дифманометр 6 с пределом измерения 6,3 кПа и основной погрешностью 0,5%, при этом для нефти с плотностью 800 кг/м³ будет перекрыт диапазон уровней от 0 до 0,8 м с максимальной абсолютной погрешностью 4 мм.

2. Выберем число чувствительных элементов 3, равное 20, и равномерно установим их от отметки 3 м до отметки 10,6 м. Для чувствительных элементов 3 типа БПТ-211 погрешность срабатывания не превышает 0,2 мм.

3. На уровне 10,6 м в чувствительном элементе 3 используется резистор с номиналом 100 Ом, на уровнях 10,2, 9,4, 8,6,..,3,0 м - терморезисторы ТСМ, а на уровнях 9,8, 9,0, 8,2,...,3,4 м (т.е. для остальных нечетных чувствительных элементов 3) устанавливаются резисторы соответственно с номиналом 110, 120,..., 190 Ом.

4. В диапазоне изменения температуры нефти от 0 до 100^oС сопротивление терморезистора ТСМ градуировки 50М изменяется от 50 Ом до 71,4 Ом, т.е. по напряжению на выходе преобразователя 15 заведомо можно определить номер чувствительного элемента 3, возле которого находится поплавок 2. Для этого преобразователь 15 должен иметь разрешающую способность менее 10 Ом или 7,1% от диапазона 50-190 Ом. Для нечетных чувствительных элементов 3 номер определяется непосредственно по выходному напряжению, для четных - производится инкремент номера предыдущего нечетного или декремент номера последующего нечетного.

5. Максимальная основная погрешность определения уровня не превысит суммы погрешности срабатывания чувствительного элемента 3 плюс максимальной погрешности дифманометра 6, т.е. 4,2 мм. Это эквивалентно приведенной погрешности измерения уровня 0,02%, хотя в предложенном способе используется дифманометр класса 0,5. Реально снижение основной погрешности измерения уровня до 0,005% (1 мм) при использовании дифманометра класса 0,25 и 40 чувствительных элементах 3.

ИЗМЕРЕНИЕ ПЛОТНОСТИ

Пусть ₁ - средняя плотность жидкости на участке от поверхности до первого чувствительного элемента 3, _k - средняя плотность на k-м участке между чувствительными элементами 3_k-1 и 3_k, k=2, 3,...n.

Пусть в исходном состоянии граница раздела жидкость - воздух находится в трубке 1 на уровне жидкости в контролируемом резервуаре (на высоте Н относительно первого чувствительного элемента 3), клапаны 8 и 10 открыты, а клапан 9 закрыт. Воздух от блока питания 7 поступает через клапан 8 и пневмолинию 4 в трубку 1 и жидкость из трубки начинает вытесняться, а граница раздела опускаться вниз. Давление в плюсовой камере дифманометра 6 начинает возрастать и в момент, когда граница раздела достигнет чувствительного элемента 3 и замкнется контакт 17, будет равно:

P₁=₁gН+Р_л1+Р₀.

При дальнейшем движении вытеснения жидкости из трубки граница раздела будет последовательно проходить мимо следующих чувствительных элементов 3_k и давления в плюсовой камере дифманометра 6 в эти моменты составят:

P₂=P₁+₂gh,

P₃=P₂+₃gh,

...

P_k=P_k-1+_kgh.

При достижении границы раздела чувствительного элемента 3 с четным порядковым номером контроллер 16 закрывает клапаны 8 и 10 и подключает к минусовой камере дифманометра 6 задатчик перепада давления 11. Одновременно контроллер управляет клапанами 12 и 13, так что в минусовой камере дифманометра 6 создается такое давление, при котором сигнал на выходе дифманометра 6 равняется нулю. Для этого контроллер в течение некоторого времени открывает клапан 12 и закрывает клапан 13, воздух поступает в пневмоемкость 14 и давление в ней начинает расти. В некоторый момент времени контроллер закрывает клапан 12 и открывает клапан 13 и воздух из емкости 14 поступает в пневмолинию 5. Задавая частоту переключения клапанов 12 и 13, можно изменять среднее давление в пневмоемкости 14 в широком диапазоне.

Действительно, пусть Р_A - давление в пневмолинии на клапане 13 в точке А, Р_в - давление в пневмолинии на клапане 12 в точке В. При поочередном подсоединении к точкам А и В пневмоемкости объемом V масса газа в ней по основному газовому закону составит:

при подсоединении к точке А - М_A=RVР_A

при подсоединении к точке В - М_B=RVР_B,

где R - коэффициент пропорциональности.

Если поочередно с помощью пневмоклапанов с частотой F подключать пневмоемкость к точкам А и В, то масса газа в ней будет изменяться и это изменение составит:

М_А-М_B=RV(Р_А-Р_B),

А массовый расход через нее составит:

Q=F(М_A-М_B)=FRV(Р_А-Р_B).

Следовательно, изменяя частоту переключения пневмоклапанов 12 и 13 при постоянном расходе воздуха в пневмолинии, можно регулировать перепад давления в ней в широком диапазоне. Таким образом, задатчик перепада давления 11 задает давление, значение которого определяется частотой переключения клапанов 12 и 13.

После достижения нулевого уровня контроллер 16 открывает клапан 8 и вытеснение жидкости из трубки 1 продолжается. Следовательно, сигналы на выходе дифманометра 6 в момент достижения границы раздела чувствительных элементов 3 будут равны:

U₁=₁gH,

U₂=₂gh,

...

U_k=_kgh.

При этом перепад давления на камерах дифманометра 6 не превысит предела его измерения. Поэтому по результатам измерения U₁, U₂,...,U_k можно найти плотности жидкости по слоям:

₁=U₁/g/H,

₂=U₂/g/h,

...

_k=U_k/g/h

ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА СРЕД

Пусть на k-м участке на уровне l относительно чувствительного элемента 3_k проходит граница раздела сред с плотностями _к и _к+1. Используя процедуру измерения с компенсацией давления в минусовой камере дифманометра 6 так же, как при определении плотности, имеем:

U_k-1=_kgh,

U_k=_kg(h-1)+_k+1gl,

U_k+1=_k+1gh.

Отсюда, по результатам трех последовательных измерении U_k-1, U_k и U_k+1 можно найти величину l:

l=h(U_k-U_k-1)/(U_k+1-U_k-1).

Таким образом, для определения уровня раздела сред S необходимо, измеряя плотность, определить номер k слоя, в котором произошел скачок плотности, и по результатам трех соседних измерений вычислить:

S=h₀+h(k+(U_k-U_k-1)/(U_k+1-U_k-1)).

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Измерение температуры производится параллельно с измерением уровня, плотности или границы раздела сред, т.к. при этих измерениях обязательно хоть один раз ко входу преобразователя 15 подключается термочувствительный резистор 18 (у чувствительного элемента 3 с четным порядковым номером) и напряжение на выходе преобразователя 15 пропорционально средней температуре в районе расположения термочувствительного резистора 18 чувствительного элемента 3.

При определении плотности, последовательно вытесняя жидкость из трубки 1, можно определить температуру во всех слоях резервуара.